Специфичен импулс: определение, характеристика, изчисление

Специфичният импулс (SI) е мярка за това колко ефективно ракетата или двигателят използват горивото. По дефиниция това е общият напор на единица консумирана мощност и е еквивалентен по размер на генерираната тяга, разделена на масовия дебит. Ако за единица гориво се използват килограми, специфичният импулс се измерва в скорост. Ако вместо това се използва тегло в нютони или сила в килограми, конкретната стойност се изразява във време, най-често в секунди.

Умножаването на скоростта на потока по стандартната сила на тежестта превръща UI в маса.

Уравнение на Циолковски

Специфичният импулс на двигателя с по-голяма маса се използва по-ефективно за създаване на тяга напред. А при ракетите е необходимо по-малко гориво. Това е необходимо за дадена делта-в. Според уравнението на Циолковски при специфичния импулс на ракетния двигател двигателят е по-ефективен при набиране на височина, разстояние и скорост. Тази характеристика е по-малко важна при реактивните модели. Който използва крилата и външния въздух за горене. И да носи полезен товар, който е много по-тежък от горивото.

Специфичният импулс включва движението, създадено от външния въздух, използван за горенето, и отработеното от отработеното гориво. Реактивните двигатели използват външната атмосфера за тази цел. и следователно имат много по-висок UI от ракетните двигатели. Това понятие, изразено в изразходваната маса гориво, има единици за разстояние във времето. Това е изкуствена величина, наречена "ефективна скорост на отработените газове". Тя е по-висока от действителната скорост на отработените газове. Тъй като масата на въздуха за горене не се взема под внимание. Действителната и ефективната скорост на отработените газове са еднакви при ракетните двигатели, които не използват въздух или например вода.

Общи съображения

Количеството гориво обикновено се измерва в единици маса. Ако се използва, специфичният тласък е импулсът при ЕМ, който, както показва размерният анализ, има единици за скорост. И затова UI често се измерва в метри в секунда. И често се нарича ефективна норма на отработените газове. Ако обаче се използва маса, специфичният импулс на горивото, разделен на силата, се превръща в единица време. И така, специфичните удари се измерват в секунди.

Това е широко разпространеното правило в съвременния свят, което се използва с коефициент g₀ (константа на гравитационното ускорение на повърхността на Земята).

Струва си да се отбележи, че скоростта на изменение на задвижването на ракетата (включително горивото) за единица време е равна на специфичния импулс на тягата.

Специфичност

Колкото по-висока е тягата, толкова по-малко гориво е необходимо, за да се създаде дадена тяга за определено време. В това отношение, колкото по-ефективен е един флуид, толкова по-голям е неговият OI. Това обаче не бива да се бърка с енергийната ефективност, която може да намалява с увеличаване на тягата, тъй като специфичният импулс на двигателя, който дава високи резултати, изисква много енергия за това.

Освен това е важно да се прави разграничение и да не се смесват тягата и специфичната тяга. За единица изразходвано гориво се създава OI. А тягата е моментната или максималната сила, която се създава от дадено устройство. В много случаи двигателните системи с много висок специфичен импулс - някои йонни системи достигат до 10 000 секунди - произвеждат ниска тяга.

При изчисляването на тягата се взема предвид само горивото, което се транспортира с превозното средство преди използването му. Следователно за химическа ракета масата ще включва като гориво и окислител. При двигателите с въздушно дишане се отчита само количеството на течността, а не масата на въздуха, преминаващ през двигателя.

Атмосферното съпротивление и неспособността на инсталацията да поддържа висок специфичен импулс при високи скорости на горене са именно причината цялото гориво да не се използва възможно най-бързо.

По-тежък двигател с добър интерфейс може да не е толкова ефективен при набиране на височина, разстояние или скорост, колкото по-лек агрегат с нисък

Ако не беше съпротивлението на въздуха и намаляване на разхода на гориво по време на полет, Потребителският интерфейс ще бъде ще бъде пряк измерител на ефективността на двигателя при превръщането на масата в движение напред.

Специфичен импулс в секунди

Най-разпространената единица за специфична тяга е H*s. Както в контекста на SI, така и когато се използват имперски или конвенционални стойности. Предимството на секундата е, че мерната единица и числената стойност са еднакви за всички системи и по същество са универсални. Почти всички производители посочват спецификациите на двигателите си в секунди. Тази единица е полезна и за определяне на специфичната единица на въздухоплавателното средство.

Използването на метри в секунда за определяне на ефективната скорост на изпускателните газове също е доста разпространено. Този блок има интуитивен смисъл, когато се описват ракетни двигатели, въпреки че ефективната скорост на отработените газове на устройствата може да се различава значително от действителната. Това вероятно е свързано с изхвърлянето на горивото и окислителя зад борда след включването на турбопомпите. За реактивните двигатели с въздушно дишане ефективната скорост на отработените газове няма физически смисъл. Въпреки че може да се използва за сравнение.

Единици

Стойностите, изразени в N*s (в килограми), не са рядкост и са числено равни на ефективната скорост на отработените газове в m/s (от втория закон на Нютон и неговата дефиниция).

Друга еквивалентна единица е специфичният разход на гориво. Той има размери като g (kN - s) или lb/hr. Всяка от тези единици е обратно пропорционална на специфичния импулс. Дебитът на горивото се използва широко за описание на работата на въздушно-реактивните двигатели.

Общо определение

За всички превозни средства специфичният импулс (тягата на единица тегло гориво на земята) в секунди може да се определи по следното уравнение.

Важно е да уточним, че:

1. F - е стандартната сила на тежестта, която номинално се изразява като сила на повърхността на Земята в m/s 2 (или ft/s на квадрат).
2. g - е масовият дебит в kg/s, който се явява отрицателен по отношение на скоростта на изменение на масата превозно средство във времето (при изхвърляне на горивото).

Измерване

Английската единица паунд е по-често използвана от други. Освен това, когато се прилага тази стойност за секунда към скоростта на потока, константата g 0 става ненужна при преобразуването. Тъй като размерът е еквивалентен на килограми, разделени на g 0.

I sp в секунди е времето, за което устройството може да генерира специфичния импулс на тяга на ракетен двигател, при наличие на количество гориво, чието тегло е равно на.

Предимството на тази формулировка е, че тя може да се използва за ракети, при които цялата реакционна маса се носи на борда, както и за самолети, при които по-голямата част от реакционната маса се взема от атмосферата. Освен това тя дава резултат, който не зависи от използваните единици.

Специфичен импулс като скорост (ефективна скорост на отработените газове)

Поради геоцентричния коефициент g 0 в уравнението много хора предпочитат да определят тягата на ракетите (по-специално) като тяга на единица маса горивен поток. Това е също толкова валиден (и в някои отношения малко по-прост) начин за определяне на ефективността на специфичния импулс на ракетното гориво. Ако се разгледат и други варианти, ситуацията е по същество същата навсякъде. Ракета с даден специфичен импулс е просто ефективната скорост на изгорелите газове спрямо устройството. Двата атрибута на конкретното въздействие са пропорционални един на друг и са свързани по следния начин.

За да се използва формулата, трябва да се разбере, че:

1. I е специфичният импулс в секунди.
2. v - тласък, измерен в m/sec. Която е равна на ефективната скорост на изпускателните газове, измерена в m/s (или ft/s, в зависимост от стойността на g).
3. g е стандартната стойност за гравитацията, 9,80665 m/s 2. В имперски единици от 32.174 фута / сек 2.

Това уравнение е валидно и за въздушно-реактивните двигатели, но рядко се използва в практиката.

Заслужава си вземете под внимание, че понякога се използват различни символи. Например c се взема предвид и за скоростта на отработените газове. Въпреки че символът sp може логично да се използва за Потребителски интерфейс в в единици N - s / kg. За да се избегне объркване, е желателно да се запази за конкретна стойност, измерена в секунди, преди да се опише.

Това се дължи на тягата или импулса на ракетния двигател, формула.

Тук m е масовият дебит, който е скоростта, с която стойността на превозното средство намалява.

Минимизиране

Ракетата трябва да носи цялото си гориво. Следователно масата на неизгорялата храна трябва да се ускори заедно с. Минимизиране на стойността на горивото, необходими за за постигане на тази тяга е от решаващо значение за ефективна ракета.

Формулата на Циолковски за специфичния импулс показва, че за ракета с дадена празна маса и дадено количество гориво общото изменение на скоростта може да се постигне пропорционално на ефективната скорост на струята.

Космически кораб без двигател се движи в орбита, определен от неговата от траекторията и всяко гравитационно поле. Отклонения от подходящия модел на скоростта (те се наричат Δ v) се постигат чрез изтласкване на отработените газове по протежение на масата в посока, обратна на необходимите промени.

Действителна бързина спрямо ефективна скорост

Обърнете внимание, че двете понятия могат да се различават значително. Например при изстрелване на ракета в атмосферата въздушното налягане извън двигателя предизвиква спирачна сила. което намалява специфичния импулс и ефективната скорост на отработените газове намалява, докато действителната скорост остава почти непроменена. Освен това ракетните двигатели понякога имат отделна дюза за турбинния газ. За да се изчисли ефективната скорост, е необходимо да се усреднят двата масови потока и да се вземе предвид атмосферното налягане.

Повишена ефективност

При реактивните двигатели с въздушно дишане, особено турбовитловите, действителната скорост на отработените газове и ефективната скорост се различават с няколко порядъка. Това се дължи на факта, че когато въздухът се използва като реакционна маса, се получава значителен допълнителен импулс. Това позволява по-добро съответствие между скоростта на въздуха и скоростта на отработените газове, което спестява енергия и гориво. И значително увеличава ефективния компонент, като същевременно намалява действителната скорост.

Енергийна ефективност

За ракетни и подобни на тях двигатели, като например йонни модели, sp предполага по-ниска енергийна ефективност.

В тази формула v _e - действителна скорост на струята.

Следователно необходимата сила е пропорционална на всяка скорост на изпускателните тръби. По-големият импулс изисква много повече енергия за една и съща тяга, което води до по-малка енергийна ефективност на единица.

Общата енергия за мисията обаче зависи от общото потребление на гориво и от това колко енергия е необходима за единица. Ниската скорост на изхвърляне на изгорелите газове в сравнение с делта-времето на мисията изисква огромно количество реактивна маса. Всъщност поради тази причина много ниската скорост на отработените газове не е енергийно ефективна. Оказва се обаче, че нито един тип няма най-високата възможна.

Променлива

Теоретично, за дадено delta-v в пространството, сред всички фиксирани стойности на скоростта на изпускане, стойността на v_e=0,6275 е най-енергийно ефективен за дадена крайна маса. За да научите повече, можете да видите енергията в задвижващата система на космическия кораб.

Независимо от това, променливата скорост на изпускане може да бъде още по-енергийно ефективна. Например, ако една ракета се ускорява с някаква положителна начална скорост, като се използва скорост на изхода, равна на тази на продукта, не се губи енергия, тъй като кинетичната компонента на реакционната маса. Тъй като става неподвижен.